MEKANIKA

Volume 12 Nomor 2, Maret 2014

89

PENGARUH PROSENTASE CO2 TERHADAP KARAKTERISTIK

PEMBAKARAN DIFUSI BIOGAS

Mega Nur Sasongko1

1Staf Pengajar – Jurusan Teknik Mesin – Universitas Brawijaya

Keywords :Biogas

Percentage CO2

Flame stability

Counterflow diffusion flame

Abstract :This study aims to determine the effect of the percentage of CO2 in the

biogas to the characteristics of biogas diffusion flame. Counterflow

configuration was used in this study to investigate detail structure of diffusion

flame and the flame stability of biogas. The concentration of CO2 in the

biogas was varied from 0% to 50% while the mass flow rate of the reactants

was varied from 4 to 14 L / min. The results showed that the CO2 in the biogas

fuel affect the diffusion flame characteristics, especially the area of luminous

yellow flame formed in the fuel flow. In the fuel-rich mixture conditions,

percentage of CO2 did not affected the diffusion flame stability. However The

stability flame wass more influenced by the rate of diffusion between fuel and

oxygen. Therefore, the combustion of biogas is more recommended to be done

in the fuel-rich conditions.

PENDAHULUANSemakin menipisnya keberadaan bahan bakar

fosil di muka bumi memaksa kita untuk

mengembangkan sumber energi baru yang dapat

diperbarui. Salah satunya adalah Biogas. Biogas

adalah salah satu bahan bakar alternatif masa depan.

Bahan bakar ini murah dan ramah lingkungan,

karena biogas diolah dari limbah organik seperti

sampah, sisa-sisa makanan, kotoran ternak dan

limbah industri makanan.Kandungan metana dalam

biogas merupakan komponen yang dapat menjadi

bahan bakar alternatif sebagai sumber energi

pengganti bahan bakar fosil. Sedangkan, komponen-

komponen lain seperti CO2 dan N2 merupakan zat

pengotor (impurities) yang memiliki sifat yang

merugikan. Kompleksitas kandungan biogas,

membuat penggunaan bahan bakar alternatif ini

sebagai pengganti bakar fosil pada mesin-mesin

konversi energi masih memerlukan kajian yang lebih

mendalam.Terutama, bagaimana pengaruh zat-zat

pengotor terutama CO2 terhadap karateristik

pembakaran biogas dalam mesin konversi energi.

Penelitian terdahulu tentang penggunaan biogas

sebagai bahan bakar mesin pembakaran busi

dilakukan oleh Porpathan (2008).Kandungan gas

CO2 dalam biogas berpengaruh besar terhadap

kinerja mesin. Menurunkan kandungan karbon

dioksida dari 41 % menjadi 20 % akan meningkatkan

secara signifikan prestasi dari mesin pembakaran

busi. Di sisi lain, level emisi dari hidrokarbon HC

dan NO hasil pembakaran di mesin bensin akan

menurun dengan menurunkan kandungan CO2.

Senada dengan mesin bensin, aplikasi biogas pada

mesin diesel juga memiliki kecenderungan yang

sama. Efek dari kandungan gas CO2akan

menurunkan efisiensi termal dari mesin diesel

(Yoon, 2010). Tetapi, aplikasi biogas pada mesin

diesel yang beroperasi pada mode HCCI

menunjukkan hasil lebih menjanjikan. Efisiensi

termal mesin diesel mode HCCI dengan bahan bakar

biogas mendekati nilai yang sama dengan efisiensi

mesin diesel bahan bakar fosil.

Dari beberapa hasil penelitian diatas

menunjukkan bahwa untuk mengaplikasikan biogas

sebagai bahan bakar baru dalam sistem mesin

konversi energi masih memerlukan pengetahuan

tentang karakteristik dari proses pembakaran biogas

yang lebih detail. CO2 yang terlarut dalam bahan

bakar cenderung mempunyai sifat yang merugikan.

Beberapa sifat tersebut adalah, yang pertama, CO2

dalam campuran biogas akan secara signifikan

menurunkan nilai kalor pembakaran. Rendahnya

nilai kalor berakibat rendahnya energi pembakaran

yang dihasilkan dari proses pembakaran (Karim,

1991). Yang kedua, CO2 mempunyai kalor spesifik

yang tinggi sehingga sebagian panas pembakaran

akan terserap oleh zat ini seiring dengan

meningkatnya temperatur. Yang ketiga, CO2 yang

terlarut dalam bahan bakar akan menurunkan laju

reaksi pembakaran, akibatnya lama waktu

pembakaran biogas akan semakin lama.

Kerugian-kerugian akibat adanya gas CO2 dalam

biogas tidak bisa kita hindari. Hal kedepan yang

perlu dilakukan adalah bagaimana menemukan

metode-metode baru dalam proses pembakaran yang

dapat meminimalisir pengaruh negatif dari gas CO2

terhadap prestasi dari suatu proses pembakaran.

Salah satu contoh adalah penelitian yang dilakukan

oleh Karim (1992).Hasil penelitiannya menunjukkan

bahwa laju reaksi oksidasi dari campuran gas metana

dan CO2 dapat ditingkatkan dengan jalan

meningkatkan homogenitas campuran bahan bakar

dan oksidatornya.Dari contoh diatas, masih

MEKANIKA

Volume 12 Nomor 2, Maret 2014

90

diperlukan metode-metode baru yang dapat

dikembangkan untuk mengatasi masalah diatas.

Penelitian ini bertujuan khusus untuk

mengetahui pengaruh dari kandungan CO2 dalam

biogas terhadap karakteristik dari pembakaran

biogas. Perilaku dari nyala api dan batas mampu

nyala api pada berbagai variasi kandungan CO2

dalam biogas akan diteliti lebih mendalam.

Konfigurasi pembakaran yang digunakan dalam

penelitian ini adalah menggunakan konfigurasi

counterflow flame. Fenomena satu dimensi dari

counterflow flame ini merupakan konfigurasi yang

sangat cocok untuk mempelajari struktur dari api

akibat pengaruh dari jenis kandungan bahan bakar,

massa alir (AFR) bahan bakar maupun karakteristik

reaktan bahan bakar dan oksidator (Tsuji, 1982; Li,

2002; Sasongko, 2011). Salah satu buktinya adalah

penelitian dari Chen (2011) tentang karakteristik

pembakaran biogas pada counterflow diffusion flame.

Dengan teori flamelet yang dihasilkan dari

konfigurasi ruang bakar counterflow ini, dapat

diprediksikan bahwa penambahan gas hydrogen

dapat memperbaiki proses pembakaran biogas.

Dengan menggunakan metode penelitian untuk

melihat secara detil pengaruh penambahan CO2

dalam karakteristik pembakaran bahan bakar biogas,

diharapkan akan memunculkan skema baru tentang

pengembangan atau perbaikan model pembakaran

biogas yang lebih menjanjikan.

METODE PENELITIANEksperimen tentang karakteristik pembakaran

biogas dilakukan pada bentuk burner Counterflow

Flame, seperti terlihat pada gambar 1 dibawah.

Ruang bakar terdiri dari 2 buah silinder

konsentrik yang dipasang saling berlawanan atas dan

bawah. Bahan bakar biogas digantikan oleh gas

CH4 dan CO2 yang merupakan komponen utama

dalam biogas.Kedua gas ini dialirkan dari saluran

bahan bakar pada sisi bagian bawah, sedangkan

pengoksidasi yan merupakan campuran oksigen dan

nitrogen dialirkan dari sisi yang berlawanan.Api

difusi biogas akan terbentuk di daerah stagnasi

antara dua aliran tersebut. Massa alir masing-masing

gas dikontrol oleh 8 buah flowmeter yang

ditempatkan seperti skema penelitian gambar 1.

Prosentase CO2 dalam aliran bahan bakar

divariasikan dalam 0 % sampai 50 %, sedangkan

total massa alir gas pada setiap saluran divarisikan

dalam 4 L/min sampai 14 L/min. Gas nitrogen

dialirkan pada sisi sebelah luar silinder konsentrik,

dengan tujuan untuk menyelimuti api dari adanya

oksigen yang masuk dari lingkungan ke dalam

daerah pembakaran api difusi.

Selain itu gas nitrogen ini juga berfungsi untuk

menstabilkan api difusi counterflow yang terbentuk.

Proses pengambilan data dibagi menjadi 2 tahapan.

Yang pertama adalah proses pengambilan foto warna

dan lebarapi dilakukan oleh kamera digital D5000.

Kamera tersebut diletakkan 20 cm dari pusat api dan

horizontal dengan api difusi. Setiap penurunan

konsentrasi gas oksigen maupun gas CO2 (variable

penelitian) dilakukan proses pengambilan gambar

untuk mengetahui evolusi perubahan warna api dan

lebar api akibat pengaruh dari gas CO2. Tahap kedua

pengambilan data adalah mengukur oksigen

minimum yang diperlukan oleh api biogas

(campuran CH4 dan CO2) agar api masih dapat

dipertahankan sebelum api menjadi padam. Dari

beberapa data tentang konsentasi minimum oksigen

pada saat api padam untuk beberapa variasi

konsentrasi CO2 dalam biogas ini, nantinya dapat

digambarkan grafik batas kestabilan api biogas pada

beberapa variasi kandungan gas CO2 sebagai

pengotor bahan bakar biogas.

Gambar 1 Skema penelitian

Selain itu gas nitrogen ini juga berfungsi untuk

menstabilkan api difusi counterflow yang terbentuk.

Proses pengambilan data dibagi menjadi 2 tahapan.

Yang pertama adalah proses pengambilan foto warna

dan lebarapi dilakukan oleh kamera digital D5000.

Kamera tersebut diletakkan 20 cm dari pusat api dan

horizontal dengan api difusi. Setiap penurunan

konsentrasi gas oksigen maupun gas CO2 (variable

penelitian) dilakukan proses pengambilan gambar

untuk mengetahui evolusi perubahan warna api dan

lebar api akibat pengaruh dari gas CO2. Tahap kedua

pengambilan data adalah mengukur oksigen

minimum yang diperlukan oleh api biogas

(campuran CH4 dan CO2) agar api masih dapat

dipertahankan sebelum api menjadi padam. Dari

beberapa data tentang konsentasi minimum oksigen

pada saat api padam untuk beberapa variasi

konsentrasi CO2 dalam biogas ini, nantinya dapat

MEKANIKA

Volume 12 Nomor 2, Maret 2014

91

digambarkan grafik batas kestabilan api biogas pada

beberapa variasi kandungan gas CO2 sebagai

pengotor bahan bakar biogas.

HASIL DAN PEMBAHASANKarakteristik Nyala Api

Gambar 2memperlihatkan nyala api difusi

biogas pada beberapa variasi konsentrasi CO2.

Selain itu, pada gambar tersebut juga

memperlihatkan perbandingan nyala api pada dua

variasi konsentrasi oksigen. Meningkatnya

konsentrasi CO2 dalam bahan bakar akan

menurunkan luas daerah api berwarna kuning.

Seperti terlihat pada gambar 2luas daerah warna api

kuning menurun sedikit demi sedikit dengan

meningkatnya konsentrasi karbon dioksida dalam

bahan bakar. Bahkan untuk konsentrasi CO2 50 %,

warna api kuning cenderung menghilang dan hanya

warna api biru yang terbentuk dari api difusi biogas.

Konsentrasi CO2 yang semakin besar menyebabkan

konsentrasi gas metana dalam biogas mengecil,

sehingga suplai reaktan atau metana tidak mampu

membentuk api kuning di daerah diatas api biru.

Gambar 3memperlihatkan karakteristik nyala api

difusi biogas pada beberapa variasi prosentase gas

CO2 dalam bahan bakar danperbandingan nyala api

difusi biogas pada beberapa perbedaan massa alir

reaktan ke daerah stagnasi counterflow. Pada gambar

tersebut nyala api dibedakan pada massa alir 4 L/min

8 L/min dan 12 L/min. Seperti terlihat pada gambar,

warna api kuning semakin menghilang pada massa

alir reaktan yang semakin besar. Untuk massa alir 12

L/min hanya nyala api berwarna biru yang terbentuk.

Perbandingan nyala api tersebut juga menunjukkan

bahwa semakin besar konsentrasi gas CO2 akan

menurunkan kekuatan nyala api difusi yang

terbentuk, yang ditunjukkan oleh meredupnya warna

biru pada nyala api. Nyala api difusi pada dasarnya

dipengaruhi oleh seberapa cepat laju difusi antara

bahan bakar dan oksidator pada daerah reaksi

pembakaran. Konsekuensi dari hal tersebut, laju

pembakaran akan sangat dipengaruhi oleh

karakteristik waktu difusi reaktan. Pada aliran bahan

bakar dan oksidator yang semakin besar, waktu

difusi reaktan akan semakin pendek dan

menyebabkan laju reaksi pembakaran yang semakin

pendek juga. Hal ini menjadi alasan bahwa semakin

besar kecepatan aliran reaktan nyala api difusi akan

semakin melemah, yang ditunjukkan oleh

berkurangnya warna api kuning ataupun menipisnya

warna api biru yang terbentuk.

Gambar 4 dan 5 memperlihatkan dimensi api

difusi counterflow pada beberapa variasi prosentase

CO2 dalam bahan bakar biogas dan massa alir

reaktan. Perbedaan antara kedua grafik adalah

terletak pada konsentrasi oksigen dalam oksidator,

gambar 4 adalah dimensi api untuk YO2 = 0.25 dan

gambar 5 untuk YO2 = 0.20. Seperti terlihat pada

gambar tersebut, pada konsentrasi oksigen yang

sama lebar api cenderung tidak mengalami

perubahan yang berarti. Lebar api menunjukkan

daerah reaksi pembakaran difusi.

Hasil penelitian memperlihatkan bahwa

prosentase CO2 yang berbeda tidak berpengaruh

signifikan terhadap daerah reaksi pembakaran.

Kandungan CO2 dalam bahan bakar lebih

berpengaruh terhadap flame strength yang

ditunjukkan oleh perubahan visualisasi warna api

seperti gambar 4 sebelumnya. Pada konsentrasi

oksigen yang cukup kecil dibandingkan dengan

prosentase gas metana dalam bahan bakar, difusi

antar reaktan lebih didominasi oleh jumlah terkecil

spesies reaktan, yang dalam hal ini adalah

konsentrasi oksigen.

Gambar3 Visualisasi api difusi pada massa alir

reaktan 4 L/min dengan YO2 = 0.25 (kiri)

dan YO2 = 0.2 (kanan)

MEKANIKA

Volume 12 Nomor 2, Maret 2014

92

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 10 20 30 40 50

Leb

ar

Ap

i [c

m]

Persentase CO2 [ % ]

Oksigen Konsentrasi (YO2) = 0.25

4 L/M

6 L/M

8 L/M

Gambar3Visualisasi api difusi pada massa alir

reaktan 8 L/min dan 12 L/min (kanan)

pada YO2 = 0.2)

Dalam penelitian ini perbandingan mol antara

gas metana dan oksigen lebih dari dua kalinya untuk

prosentase CO2 terbesar atau CO2=50 %. Oleh

karena itu efek dari kandungan CO2 yang tidak

banyak berpengaruh terhadap proses difusi reaktan

sehingga dimensi api difusi cenderung tidak berubah

seperti ditunjukkan oleh gambar 5. Konsekunsi lain

dari hal tersebut, jika kandungan oksegen tidak sama

maka akan sangat berpengaruh terhadap dimensi

lebar api difusi. Semakin kecil konsentrasi oksigen,

maka lebar api diprediksi juga ikut mengecil. Hal ini

terbukti pada perbandingan gambar4 dan gambar 5.

Untuk YO2 = 0,25, lebar api berkisar 4.5 cm

sedangkan pada konsentrasi oksigen yang lebih kecil

YO2 = 0.2 lebar api berkisar pada angka 4 cm.

Gambar 4 Nyala api counterflow diffusion flame

biogas pada oksigen konsentrasi 0.25

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 10 20 30 40 50

Leb

ar

Ap

i [c

m]

Persentase CO2 [ % ]

Oksigen Konsentrasi (YO2) = 0.2

4 L/M

6 L/M

8 L/M

Gambar 5 Nyala api counterflow diffusion flame

biogas pada oksigen konsentrasi 0.20

Kestabilan Api.

Pada penelitian ini, batas kestabilan api

dinyatakan dalam karakteristik extinction api (api

padam). Extinction api diperoleh dengan jalan

menurunkan konsentrasi oksigen dalam oksidator

sampai kondisi api padam. Harga minimum

konsentrasi oksigen yang dibutuhkan api sebelum api

padam ini [YO2ext] menjadi batas daerah kestabilan

api difusi counterflow.

Gambar 6 menunjukkan konsentrasi oksigen saat

api padam pada beberapa variasi prosentase

kandungan CO2 dalam bahan bakar biogas. Pada

grafik itu juga ditunjukkan perbandingan konsentrasi

oksigen pada beberapa perbedaan massa alir total

reaktan pada saluran counterflow. Daerah di bawah

garis grafik adalah daerah api padam sedangkan

daerah diatas garis grafik adalah daerah api stabil.

Seperti terlihat pada gambar 6 tersebut, kandungan

CO2 dalam bahan bakar berpengaruh terhadap

konsentrasi oksigen yang dibutuhkan api untuk tetap

stabil. Pada kandungan CO2 yang semakin besar,

minimum api stabil memerlukan oksigen yang

semakin meningkat pula. Ini berarti kestabilan api

semakin menurun dengan adanya CO2 dalam bahan

bakar. Pada dasarnya kestabilan pembakaran difusi

dikontrol oleh perbandingan antara laju reaksi kimia

pembakaran dengan laju difusi reaktan.Dan

umumnya laju reaksi kimia jauh lebih besar dari laju

difusi reaktan. Perbandingan ini sering disebut

dengan istilah bilangan nondimensional Damkohler

Number yang mempunyai rumusan :

Aerodynamictime adalah waktu difusi reaktan

atau dalam hal ini identik dengan laju difusi reaktan,

sedangkan chemical time identik dengan laju reaksi

kimia pembakaran. Suplai oksigen ke daerah reaksi

pembakaran akan berpengaruh terhadap laju difusi

reaktan. Jika laju difusi menurun sampai pada titik

tertentu, akan menyebabkan laju kimia pembakaran

menurun dan menyebabkan api menjadi padam. Dari

kondisi ini, dapat ditarik kesimpulan bahwa

menurunnya daerah kestabilan api difusi akibat dari

kandungan CO2 yang semakin besar dalam bahan

MEKANIKA

Volume 12 Nomor 2, Maret 2014

93

bakar akan semakin menurunkan laju difusi bahan

bakar dengan oksigen, seperti terlihat pada gambar 6.

Gambar 6. Extinction api difusi biogas pada

beberapa variasi prosentase kandungan CO2

Di sisi yang lain, jika dilihat kecenderungan

kestabilan api difusi pada gambar diatas, terlihat

bahwa batas kestabilan api tidak menunjukkan

perbedaan yang cukup signifikan antar variasi

kandungan CO2 dalam bahan bakar. Bahkan pada

saat perubahan massa total aliran reaktan, hasil

penelitian menunjukkan tendensi yang tidak berbeda

jauh. Salah satu alasan yang mungkin dari

kecenderungan diatas adalah proses pemadaman api

berlangsung pada kondisi kaya bahan bakar. Seperti

yang telah dijelaskan sebelumnya, kestabilan api

dinyatakan dalam konsentrasi minimum oksigen

pada saat api mati. Konsentrasi minimum oksigen

menunjukkan bahwa garis kestabilan api difusi

berada pada kondisi kaya bahan bakar. Hal ini berarti

untuk mendapatkan batas kestabilan yang lebih baik,

bahan bakar biogas harus dibakar pada kondisi yang

kaya bahan bakar. Langkah kedepan, kecenderungan

kestabilan api bahan bakar biogas pada kondisi yang

stoikhiometri maupun miskin bahan bakar perlu

penelitian lebih lanjut.

KESIMPULANPenelitian ini mengamati pengaruh dari

kandungan CO2 dalam biogas terhadap karakteristik

nyala api dan kestabilan api difusi counterflow.

Beberapa kesimpulan utama dari hasil penelitian

dapat dijelaskan sebagai berikut :

1. Kandungan CO2 dalam biogas berpengaruh

terhadap karakteristik nyala api difusi, terutama

terhadap luas daerah api bercahaya kuning yang

terbentuk di sisi aliran bahan bakar. Luas

daerah warna api kuning menurun sedikit demi

sedikit dengan meningkatnya konsentrasi

CO2dalam bahan bakar.

2. Pada konsentrasi oksigen yang relatif kecil,

kandungan CO2 tidak berpengaruh terhadap

dimensi api counterflow yang terjadi. Lebar api

difusi lebih dipengaruhi oleh besar kecilnya

konsentrasi oksigen dalam pengoksidasi.

3. Pada kondisi campuran kaya bahan bakar,

kestabilan api difusi tidak banyak dipengaruhi

oleh kandungan CO2 dalam bahan bakar, tetapi

lebih dipengaruhi oleh laju difusi antara bahan

bakar dan oksigen. Oleh Karena itu,

pembakaran biogas lebih disarankan

berlangsung pada kondisi yang kaya bahan

bakar.

DAFTAR PUSTAKA1. Porpatham, E., Ramesh,A., Nagalingam,B.,

Investigation on the Effect of Concentration of

Methane in Biogas when Used as a Fuel for a

Spark Ignition Engine, Journal of Fuel, Vol.87,

Issue 8-9, 2008, p. 1651-1659

2. Yoon, S.H., Lee, C.S., Experimental

Investigation on the Combustion and Exhaust

Emission Characteristics of Biogas-Biodiesel

Dual-fuel Combustion in a CI engine, Journal

of Fuel Processing Technology, Vol. 92, Issue

5, 2011, p. 992-1000

3. Karim, G.A., Hanafi. A. S., Zhou, G., A kinetic

Investigation of the Oxidation of Low Heating

Value Fuel Mixtures of Methane and Diluents,

Journal of Emerging Energy Technology, Vol

41, 1992, page 103.

4. Karim, G.A., Hanafi. A. S., An Analytical

Examination of the Partial Oxidation of

RichMixtures of Methane and a Oxygen,

Journal of Fossil Fuel Combustion, Vol 33,

1991, page 127.

5. Chen, S., Zheng, C., Counterflow Diffusion

Flame of Hydrogen Enriched Biogas under

Mild Oxy-fuel Condition, International Journal

of Hydrogen Energy, Vol. 36, Issue 23, 2011,

p. 15403-15413

6. Li, S.C., Spray Stagnation Flames, Progress in

Energy and Combustion Science, Vol. 23,

1997, p. 303-347.Mikami, M., Miyamoto, S.,

Kojima, N., Counterflow Diffusion Flame with

Polydisperse Sprays, Proceedings of the

Combustion Institute vol. 29, 2002, p. 593-

599.

7. Tsuji, H., Counterflow Diffusion Flames,

Progress in Energy and Combustion Science,

Vol. 8, 1982, p. 93-119.

8. Sasongko, M.N., Mikami, M., Dvorjetski,

Extinction Condition of Counterflow Diffusion

Flame with Polydisperse Water Spray, Journal

Of Proceedings of Combustion Institute, Vol.

33, Issue 2, 2011, p. 2555-2562